合成生物学研究生物图案的形成原理论文.doc

合成生物学研究生物图案的形成原理论文 生物系统常会形成复杂的图案或结构如斑马的条纹、孔雀（Peafowl）的羽毛、金钱豹（Pantherapardus）的斑点、鱼的鳞片、花瓣等产生这些有序结构的生物过程被称为“图案的形成”1.它通常涉及多信号错综复杂的调控、基因表达的改变、细胞的形变、细胞的运动、增殖和死亡以及细胞环境的相互作用 分子生物学家、发育生物学家、合成生物学家、组织工程学家、系统生物学家和理论生物学家都对生物图案的形成非常感兴趣了解这些生物图案的形成原理是对一代代科学家的极大挑战 在过去的10年中合成生物学家们不断尝试将物理学和工程学理念融入生物学并取得了很大的进展改造细胞使之拥有新的功能是合成生物学的主要目的27.然而这一领域的另一个重要目的“用创造生命的方式去理解生命”正越来越受到重视8,9.生物图型的传统研究方法是正向或反向遗传学方法因此运用合成生物学来研究生物图案的形成原理是一个标志性的转变在这篇综述中将重点介绍重复周期性生物图案的研究 1重复周期性生物图型及其实验研究 从解剖学角度而言生物结构或图案往往呈现重复周期性例如人有10个手指24根肋骨和32颗牙齿一个在空间上具有“重复周期性”的图案通常由被有序间隔隔开的重复单元组成这种特征可以轻易地从斑马条纹、孔雀羽毛、鱼鳞、果蝇（Drosophilamelanogaster）体节和脊椎动物胚胎体节中观察到周期性也同样可以表现在时间维度上如人类心肌的有规律收缩运动10.果蝇身体的分节是周期性结构研究的重要典型之一在过去的30年中大约有40个基因被确认参与了果蝇的分节过程这些基因通过层层相互作用逐步演变最终完成了前后轴（anteriorandposterioraxis,AP）的细分11,12（图1） 体节发生作为脊椎动物胚胎的一个重要发育过程已被广泛地研究14,15.体节是胚胎的一段更确切地说是指腔结构周围的细胞块14.它是由前体节中胚层（presomiticmesoderm,PSM）神经管两侧互相平行的两条间叶组织14有规律地逐渐发育而来在这个过程中体节以周期性的时间间隔沿前后轴形成这个间隔在斑马鱼（Daniorerio）中为30min,在鸡（Gallusdomestiaus）体内是90min,在小鼠（Musmusculus）中是120min,在人体中则是4h16.体节形成之后可以随之发育成骨骼肌、真皮和椎骨在过去几十年间科学家为寻找周期性基因表达的控制元件做了很多努力研究表明在鸡胚中成纤维细胞生长因子FGF8参与了时钟信号控制体节分段的过程17.FGF8的mRNA水平在前体节中胚层最末端中表达很高越靠近最前端越低在前体节中胚层中形成了一个梯度（图2）而成纤维细胞生长因子8（fibroblastgrowthfactor8,FGF8）的过表达会阻止分段过程并使前体节中胚层细胞保持在未成熟的状态 这表明FGF8的表达水平与前体节中胚层细胞的发育演变密切相关有研究提出在鸡胚中的FGF8存在一个阈值被称为“决定性前沿”（图2）随着体轴的伸长“决定性前沿”会后退从而使细胞进入分节过程因此该体节的边界距离可能是由振荡周期决定的 1.1数量恒定 另一个关于重复周期性生物结构的有趣问题是它们的基本单元数量是恒定的如人类的手指就是10根肋骨为24根牙齿32颗椎骨33块这是如何实现的呢样的机制决定了这些数量并保持不变有科学家提出存在一个“停止条件”使基A:母体的信号“预先混合”的细胞质已经在卵子发生过程中准备就绪在卵子的细胞质中母系的驼背基因HB（hunchback）和尾部基因CAD（caudal）转录产物均匀分布；卵极基因BCD（bicoid）的转录产物主要位于卵的前极而其蛋白质和RNA复合物则主要分布在后部受精后这些母系转录产物会被迅速翻译在受精卵中产生蛋白质梯度；B:间歇基因域嵌入在卵子表面的信号激活位于受精卵两极的跨膜受体躯干（Torso）同时在沿AP轴的特定位置一组合子的“间歇”的基因如无尾基因TLL（tailless）、巨大基因GT（giant）和Kr（Kruppel）被母体蛋白质的信号激活；C:成对基因图型虽然间隙基因的表达谱并不是周期性的它们转录因子的相互作用和母体蛋白质的信号提供了核子的特定轴向特征这个特征是由成对基因（如多毛基因H（hairy）、侏儒基因run（runt）、跳跃基因eve（skipped）来决定的从而会产生周期性的基因表达成对基因及其下游基因转录相互作用（如体节缺少基因FTZ（fushitarazu）细化了表达条纹条纹边界指示了副节体边界；D:节段极性图型尽管成对基因的表达是瞬时的一旦细胞边界形成每个副节体中的成对基因的蛋白质就会激活节段极性基因并使其稳定表达一些基因的表达如锯齿基因en（engrailed）基因即使在成人体内也是稳定的副节体的边界在表达en和无翼基因WG（wingless）的细胞之间形成随后节体边界会基于副节体生成改编自Peel等人13的研究本单元的重复终止10.一旦“停止条件”失去作用那么单元将不断重复实际上这样的“无限重复”突变体已经越来越多地出现在科学家的视野中例如在线虫（Caenorhabditiselegans）中unc86的突变引发细胞谱系多次重复19;果蝇的bagofmarbles突变使卵巢囊泡的细胞数量从16增加到几百20;在金鱼草（AntirrhinummajusL.）中花序（floricaula）突变使花成为重复的分生组织21. 通常来说如果给定单元的大小图案出现的数量是由体型大小决定的雄性短吻鳄（OsteolaemustetraspisCope）背部的条纹比雌性多因为它们的身体更长22.然而单元数量也可以与体型无关如非洲爪蟾（Xenopuslaevis）的体节数23. 1.2重复周期性图案的模型 “不构建出研究对象的力学模型我是不会满意的如果我成功地建立了模型才能说明我理解这个问题否则就不能说我理解了它”开尔文勋爵对于重复周期性结构/图案的研究表明数学模型是必不可少的模型可以整合实验数据提取其关键部分预测其在遗传或物理扰动下的结果而总结不同层面的实验数据使之成为数学模型确实是一项很有难度的挑战到目前为止构建数学模型有两种主要方法：（）分析系统中每一个组件模拟系统中的每一次互相作用24.（）省略系统的细枝末节只提取其实质25.第一类模型用于描述相对简单的系统如果系统很复杂例如涉及到时空动态那将很难做1人们提出了许多模型来解释重复周期性图案的现象10.但是Murray在他的书中说这些模型并非自然图案形成的实际机理Wolpert26的原则与Murray的观点类似：“因为有太多过程能产生同样的图案所以不要从图案中推断其过程”虽然如此在这里仍然会简要地介绍两个重要模型 1.3反应扩散模型 反应扩散或图灵（turing）模型是最着名的解释图案形成的数学模型之一27.阿兰图灵现代计算机的创始人之一28在一篇研讨会论文中提出了这个伟大的模型29.常理上讲人们会认为扩散总是有助于稳定系统的但是图灵发现在存在扩散的情况下一个反应系统开始的局部稳定状态会变得不稳定在数学上扩散和反应的耦合可能会使在均匀稳定状态下微小的扰动放大整体的不稳定性与边界条件一起可以决定图案的周期换言之分子的扩散和反应导致分子浓度呈现峰与谷的分布（图3A） 而这些分子则被称为形态发生素它们的空间分布为生物结构发育形成一个预图案这种通过形态发生素而产生预图案的图案形成模型与简单的预图案模型的不同之处在于它需要化学反应的参与27.虽然反应扩散模型已被认为是生物图案形成的标准数学模型27,但是在实验生物学领域这种模型并没有被广泛接受因此Fitzhugh30和Nagumo等人31提出了一种重要的图灵模型的衍生形式这个模型将数学语言转换成了生物学家使用的语言就如同神经元一样这个模型建立在一种可激发的活化剂抑制剂体系之上在此二元体系中两种成分的产出被其中一种化学物质激活另一种成分则用来抑制该系统的发展在适当的参数和一定条件下该模型可以产生滑动波、旋转螺旋、环波、条纹波、静止的局部脉冲等在这个模型的基础上为了获得一个稳定的空间图案Meinhardt和Gierer32提出了一种基于侧抑制原理的图灵模型这些图案的形成仅需要一个短程的正反馈和一个长程负反馈分别代表抑制剂的快速扩散和活化剂的缓慢扩散这些改进使图灵模型的基本原则能被更容易地应用到复杂的系统中去许多系统被证明可满足该条件并且能够形成图灵图案如趋化性细胞迁移33、神经元的相互作用34、机械化学活性35等然而在一个的生物系统中直接验证图灵模型是十分困难的. Meinhardt和Gierer32在他们的模型中提出活化剂的扩散系数要比抑制剂小得多但是由于很难识别生物系统中的活化剂/抑制剂人们缺乏直接的证据来验证两种分子间的扩散系数的差异直到最近在对斑马鱼胚胎形成过程中由Nodal和Lefty构成的活化剂/抑制剂系统的研究中科学家成功地利用光漂白后荧光恢复的方法测得融合了绿色荧光蛋白的Nodal和Lefty的扩散性36.这些研究成果及将来的相关实验将对验证图灵模型起到很大的帮助 1.4密度依赖性运动能力模型 物理学家提出当一个颗粒或细胞的运动能力依赖于其密度时周期性的图案也可以形成Cates等人37对这种系统进行了研究在这个系统中细胞的运动力取决于局部的细胞密度通过稳定性分析他们发现该系统可以通过细胞密度平衡点上下的小范围波动形成稳定的图案然而为了使得高频失稳收敛他们引入了密度的四阶项31.在另一个与实验相关性更高的密度依赖性运动能力模型中人们引入了一个密度信号场38,39.传统的周期性图案往往是通过失稳性在平衡点附近放大而产生周期结构然而人们发现在这种密度依赖性运动能力模型中当密度场前沿在传播过程中达到运动能力阈值时就可以形成周期性的图案这种机制与典型的反应扩散模型不同并且已经在一个合成生物系统中得到了验证该模型也可被应用到具有两个可扩散化学物质的系统中在这个系统中其中一种化学物质的扩散性取决于另一种化学物质的局部浓度 1.5时钟和波前沿模型 科学家们提出时钟和波前沿模型是为了用来解释体节的形成这个模型由两部分组成：一个在两种状态振荡的“时钟”和一个单向波40.一般情况下所有的细胞在两种状态之间同步振荡一旦到达波的前沿振荡即停止在某个阶段当波扫过发育区域时便形成了交替状态的周期性图案 2合成生物学 合成生物学是一个崭新且快速发展的领域但它似乎仍然没有一个被广泛接受的定义有些人定义合成生物学为“对新的生物零件、设备和系统进行设计和构建以及对现有的自然生物系统进行重新设计改造以达到有用的目的”.一般而言这些新的功能是通过引入被称为“遗传线路”的新遗传网络来实现的在过去的10年中合成生物学一直被用来开发新的功能41,42,如群体控制6、细胞计数43、“光子打印机”4、边缘检测器3等合成生物学的另一重要方面是通过工程建造的方法8,9来了解生命科学家应用合成生物学手段对包括生物振荡器2,7、细菌的双组分系统44、条带检测5、生物膜形成45、生态系统重构46和抗生素抗性47等在内的各种生物现象进行了研究 2.1用合成生物学的方法研究图案形成 Basu等人5通过将luxRI系统中的不同组分分别放入发送者细胞（表达luxI并合成N酰基高丝氨酸内酯（Nacylhomoserinelactones,AHL）和接收者细胞（表达luxR,对AHL梯度响应）以此制作出了一种“条带”过滤器他们设计了一个巧妙的遗传线路使接收者细胞对不同浓度的AHL做出不同的响应从而让细胞在固体琼脂板上产生公牛眼图案实验时他们首先把包含一系列的遗传元件（如luxR,l抑制子CI和lacI）的接收者细胞混合在琼脂里随着发送者细胞产生的AHL不断地生成和降解其在固体琼脂上会形成浓度梯度而接收者细胞只在一个狭窄的AHL浓度区间内表达绿色荧光蛋白他们利用了3个对AHL敏感度各异的LuxR突变体作为接收者细胞使它们可以各自在琼脂板上形成不同的生物图案通过这些巧妙设计的人工遗传线路Basu的研究团队直接证明了形态发生素梯度的图案形成机理 更新一个成果来自Danino的研究团队他们利用luxRI系统同步大肠杆菌（Escherichiacoli）菌群生长构建了一个基因振荡器2.与以往的合成振动系统相比他们的设计虽然很简单但却产生了美妙的时间周期图案他们利用luxI启动子来分别控制luxI,yemGFP和aiiA（AHL降解酶）的表达在这个系统中LuxRAHL复合物诱导aiiA的表达从而反过来实现了对luxI表达的负调控借助微流体器件和荧光显微镜振荡被记录了下来不仅如此振荡器的周期和幅度还可以通过在微流体条件下控制流速来调节 除了Danino的研究外Liu等人39也构建了工程细菌来探索一种新的周期图案形成的机理首先他们构建了由生长、运动能力和细胞间信号传导组成的图案形成的模型系统然后又设计了一个简单的调控机制这种机制可以通过引入外源菌群传感系统来对大肠杆菌细胞的趋化线路进行控制使细胞运动在高菌群密度条件下受到抑制这种相互作用模拟了密度依赖的运动效应出乎人们意料的是在将工程菌株接种到半固体琼脂平板上后菌群形成了以200min为间隔的周期性条纹图案 2.2通过合成生物学进行图案形成原理的探索 在Liu等人的研究中他们利用人工遗传线路系统衡量了每个关键的变量并对条纹形成的具体动力学过程进行了定量研究根据这些研究他们提出了一个新的密度依赖性运动能力模型不同于其他反应扩散系统的是该密度依赖性运动系统在密度波前沿达到阈值时可以形成周期性条纹（图3B）此外根据该模型预测该系统存在从条纹到